基于數(shù)字圖像的隱蔽傳輸技術(shù)研究

陳功平

（信陽師范學(xué)院網(wǎng)絡(luò)信息與計(jì)算中心，河南信陽464000）

基于數(shù)字圖像的隱蔽傳輸技術(shù)研究

陳功平

（信陽師范學(xué)院網(wǎng)絡(luò)信息與計(jì)算中心，河南信陽464000）

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，為信息的傳播和使用提供了極大的方便，同時(shí)也面臨著信息安全問題的巨大挑戰(zhàn)，這促使了信息隱藏技術(shù)的產(chǎn)生.本文簡單介紹了信息隱藏技術(shù)的一些基本特征，且著重闡述了數(shù)字圖像的冗余性特點(diǎn)、隱藏技術(shù)模型、加密算法，并對其未來的發(fā)展趨勢進(jìn)行了分析.

信息隱藏；加密算法；圖像置亂

1 引言

隨著科技的不斷進(jìn)步，多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展日新月異，互聯(lián)網(wǎng)上信息數(shù)據(jù)的傳輸共享行為日漸頻繁.互聯(lián)網(wǎng)作為一個(gè)信息共享的平臺(tái)為人們?nèi)粘９ぷ魃顜砗艽蟊憬荩橇硪环矫孢@也造成了網(wǎng)絡(luò)信息安全的問題越來越嚴(yán)重.網(wǎng)絡(luò)上的某些未授權(quán)用戶通過一些非法手段對傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)行攔截、篡改、復(fù)制、傳播等，損害了信息所有者的相關(guān)權(quán)益,這種形勢促使了信息隱藏技術(shù)的產(chǎn)生.該技術(shù)的實(shí)質(zhì)就在以某種看起來很正常的媒介為載體，在里面進(jìn)行秘密信息的嵌入，通過一些容易被人忽視的技術(shù)手段對載體的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行細(xì)微的修改，這樣一方面保護(hù)了數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)陌踩硪环矫孢@種隱藏行為也受到了保護(hù).信息隱藏技術(shù)有效的解決了在互聯(lián)網(wǎng)上進(jìn)行秘密信息傳輸?shù)膫鹘y(tǒng)問題，如今在政府系統(tǒng)、軍事情報(bào)系統(tǒng)、醫(yī)療衛(wèi)生系統(tǒng)、金融系統(tǒng)等信息比較敏感的領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用.

2 信息隱藏系統(tǒng)技術(shù)模型與發(fā)展現(xiàn)狀

對于一個(gè)特定的信息隱藏系統(tǒng)的模型，我們稱需要進(jìn)行隱藏的信息為秘密信息，它可以是秘密數(shù)據(jù)或序列號，也可以是相應(yīng)的版權(quán)信息，我們所公開信息為載體信息，譬如數(shù)字圖像、音頻、視頻等.這種信息隱藏過程一般由密鑰進(jìn)行控制，通過一定算法將秘密信息嵌入到公開信息中形成隱蔽媒介，該媒介則通過通道完成傳遞，進(jìn)而通過檢測器，利用密鑰從隱蔽載體中對秘密信息進(jìn)行讀取.其模型如下所示：

圖像信息隱藏系統(tǒng)示意圖

目前隨著信息交流行為頻繁出現(xiàn)，信息安全的重要性也不斷升級.信息安全領(lǐng)域的“進(jìn)攻”和“防守”之間對抗性已趨于白熱化.從“防守”面看，人們?yōu)榱私档蛿?shù)據(jù)受損的風(fēng)險(xiǎn)不斷從技術(shù)、管理方面進(jìn)行系統(tǒng)升級，甚至制定各種法規(guī)條例懲治非法竊取信息的行為，以此建立信息安全體系.從“進(jìn)攻”方面看，黑客、網(wǎng)絡(luò)病毒則詳盡一切辦法入侵信息傳輸系統(tǒng)，竊取、破壞數(shù)據(jù)信息，或利用系統(tǒng)漏洞、或發(fā)布木馬程序等.雙方互為博弈，這也促使了新思想、新技術(shù)的大量涌現(xiàn).在信息安全技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)信息隱藏技術(shù)嶄露頭角，發(fā)展迅速，特別是基于數(shù)字圖像中信息隱藏近年來逐漸成為人們進(jìn)行信息隱秘傳輸所采用的重要方式.

3 數(shù)字圖像中的信息隱藏分析

數(shù)字圖像中的信息隱藏技術(shù)的理論基礎(chǔ)是數(shù)字圖像的冗余性原理以及最低有效位理論等,通過這些技術(shù)實(shí)現(xiàn)圖像的壓縮、變換區(qū)域的隱匿.目前數(shù)字圖像中的信息隱藏在許多領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用，譬如版權(quán)保護(hù)、數(shù)字水印、隱寫術(shù)、票據(jù)防偽、秘密信息傳輸?shù)?信息在進(jìn)行隱藏時(shí)客觀上需要一定的空間進(jìn)行相關(guān)操作，而數(shù)字圖像的冗余空間很大，這一點(diǎn)完全滿足需求.

3.1 數(shù)字圖像的冗余性原理

數(shù)字圖像所包含的數(shù)據(jù)信息很多都是無用的，也就是冗余性高，這在客觀上造就了較大的邏輯冗余空間的形成，為秘密數(shù)據(jù)的隱藏提供了基礎(chǔ)，所以數(shù)字圖像是密碼數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹匾d體.針對某單張數(shù)字圖像而言，通過一定的技術(shù)手段，根據(jù)事先需求對圖像的相應(yīng)的像素值進(jìn)行修改，從而實(shí)現(xiàn)秘密信息的嵌入是比較容易實(shí)現(xiàn)的.這是因?yàn)槿说囊曈X的分別率是不能對圖像的輕微變化有所察覺.特別是肉眼看來完全相同的圖像，其像素值可能并不相同，只是人眼無法分辨出來而已，必須借助專業(yè)的工具才可以進(jìn)行辨認(rèn).通常數(shù)字圖像的冗余性主要包括空間冗余和視覺冗余.

3.1.1 空間冗余

空間冗余的存在是圖像數(shù)據(jù)在形成時(shí)不可避免出現(xiàn)的，所以又稱之為數(shù)據(jù)冗余.對于那些種類不同、性質(zhì)各異的圖像，其本質(zhì)差別也就是冗余度的差異性.日常生活中的所有具有意義的圖像，其表面顏色分布都是存在規(guī)律的，具有規(guī)則的背景與規(guī)則的物體，從微觀上看，像素的分布是整齊劃一的，不是雜亂無章，往往存在一定相關(guān)性.這就在數(shù)字圖像中形成了許多重復(fù)性分布，這就是數(shù)據(jù)的冗余.在對圖像進(jìn)行壓縮時(shí)則主要就是對重復(fù)的數(shù)據(jù)空間進(jìn)行壓縮.

3.1.2 視覺冗余

人類是視覺系統(tǒng)存在一定的盲點(diǎn)，當(dāng)圖像發(fā)生變化時(shí)，變化量大則可以發(fā)覺，變化量小則不宜發(fā)覺.一般情況下，人類視覺系統(tǒng)更傾向于亮度明暗變化的識(shí)別，但是對于色度、色相的變化則反應(yīng)遲鈍.對于亮度高的區(qū)域，人眼則對明暗變化敏感性將會(huì)降低，相反對于亮度低的區(qū)域，人眼對明暗變化敏感性則會(huì)提高.另外人眼還有傾向于外部邊緣、整體結(jié)構(gòu)敏感性高的特點(diǎn).在對圖像進(jìn)行壓縮時(shí)可以利用這一點(diǎn)，使人類視覺系統(tǒng)對圖像發(fā)生的變化無法感知和分辨，認(rèn)為圖像沒有變化.實(shí)際上人類視覺系統(tǒng)的分辨能力遠(yuǎn)低于圖像進(jìn)行量化時(shí)所采用的灰度等級，這種現(xiàn)象即為視覺冗余.通常在進(jìn)行信息嵌入時(shí)應(yīng)避免在人類視覺敏感區(qū)域進(jìn)行壓縮.

3.2 數(shù)字圖像信息隱藏系統(tǒng)模型

一般情況下我們定義嵌入了秘密信息的原始圖像為掩護(hù)圖像或者宿主圖像.發(fā)送者在進(jìn)行秘密信息傳輸時(shí)通過加密處理將具體的隱秘算法和密鑰通通嵌入到宿主圖像中去.這種隱藏有秘密信息的原始圖像我們稱之為隱藏圖像或偽裝圖像.但是隱藏圖像和宿主圖像在視覺上往往不存在任何差異.當(dāng)接受者完成隱藏圖像的接收后，即可根據(jù)提前給予的密鑰實(shí)現(xiàn)隱藏信息的提取，這些隱藏信息有可能還不是原文，還需要通過解密才可以完成原文的讀取，進(jìn)而保障了信息傳輸?shù)碾[蔽性與安全性.圖像信息隱藏系統(tǒng)的一般化模型如下圖所示：

圖像信息隱藏系統(tǒng)示意圖

3.3 數(shù)字圖像的信息隱藏技術(shù)算法

數(shù)字圖像的信息隱藏技術(shù)的算法有很多種，但是具有代表性的算法是空域法和頻域法.空域法對圖像元素的數(shù)據(jù)信息直接進(jìn)行了替換，通常情況下圖像元素的色帶和亮度上實(shí)現(xiàn)了內(nèi)容的添加、修改.頻域法則是以數(shù)學(xué)函數(shù)為工具對其進(jìn)行變換，以頻域的形式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的表示，通過降低或提高圖像的相應(yīng)的頻域系數(shù)完成秘密信息的嵌入，再通過反變換則可以對隱藏的信息進(jìn)行解密.下面對幾種比較常見的算法進(jìn)行簡單的介紹：

3.3.1 空域算法

最有代表性的空域算法是在圖像中相對不重要的像素區(qū)域進(jìn)行信息的嵌入，這有助于提升信息的隱秘性.該算法不可感知性較好，容量空間大，可以實(shí)現(xiàn)大量隱藏?cái)?shù)據(jù)的存儲(chǔ).但是其魯棒性不足，當(dāng)遭遇到非法截取時(shí)，數(shù)據(jù)信息很容易遭到破壞、竊取，比較常見的破壞手段有圖像量化、濾波、幾何變形等.鑒于該算法的主要不足就是魯棒性差，可以通過隨機(jī)序列修改圖像算法，這樣提高了其自身的魯棒性.

3.3.2 變換域算法

本算法主要應(yīng)用了數(shù)學(xué)的方法，將圖像進(jìn)行數(shù)學(xué)變換使其以頻域的形式表示，在對圖像的相應(yīng)頻域系數(shù)進(jìn)行修改時(shí)嵌入一定的秘密信息，然后通過逆變換實(shí)現(xiàn)隱藏有秘密信息的圖像的生成.目前各種數(shù)學(xué)變換都在變換域算法中廣泛使用，如離散小波變換、傅里葉變換、離散余弦變換等.這種技術(shù)在修改載體信息的同時(shí)完成了數(shù)據(jù)信息的嵌入，其魯棒性較之空域算法更強(qiáng).

3.3.3 壓縮域算法

以JPEG、MPEG標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的壓縮域系統(tǒng)，一方面實(shí)現(xiàn)了完全解碼工作效率的提高，另一方面也縮短了重新編碼過程，這在數(shù)字電視、互聯(lián)網(wǎng)傳輸領(lǐng)域具有重大的現(xiàn)實(shí)意義.所以隱秘信息在進(jìn)行傳輸時(shí)可以依托壓縮技術(shù)進(jìn)行嵌入.

3.3.4 NEC算法

本算法最初是由美國NEC實(shí)驗(yàn)室的考克斯等發(fā)明的，本算法對數(shù)字水印算法影響深遠(yuǎn)中，其實(shí)途徑是，第一步，將密鑰作為種子促使偽隨機(jī)序列的形成，該序列需符合標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布.密鑰通常情況下由圖像的哈希值和作者的標(biāo)識(shí)碼組成，第二步，對圖像進(jìn)行DCT變換，第三步則通過偽隨機(jī)高斯序列束實(shí)現(xiàn)直流分量外的1000個(gè)最大的DCT系數(shù)的調(diào)制.本算法的安全性、魯棒性、透明性都比較好.

3.3.5 生理模型算法

人的生理模型通常是由人類視覺系統(tǒng)和聽覺系統(tǒng)組成的.該模型在多媒體數(shù)據(jù)壓縮中得到了廣泛應(yīng)用，同樣，在信息隱藏時(shí)也可以將其引入.視覺模型建立的主體思想就是通過一定的技術(shù)手段在不引起視覺注意的前提下，盡最大程度的實(shí)現(xiàn)隱秘信息的嵌入.本方法透明性和魯棒性表現(xiàn)優(yōu)異.

4 數(shù)字圖像隱藏的發(fā)展趨勢

數(shù)字圖像隱藏技術(shù)的核心就是將隱藏的信息嵌入到宿主載體進(jìn)行隱秘傳輸?shù)囊环N行為.在傳遞文本信息時(shí)效率很高，該方法效率比較高.但是若傳遞音頻信息、圖像信息、視頻信息則存在很大的局限性.因?yàn)樵趯ΡＷo(hù)大量隱藏信息的載體進(jìn)行解密時(shí)非常耗費(fèi)時(shí)間，不能滿足實(shí)時(shí)性的需求.所以就圖像信息而言，根據(jù)其自身的特征可以采用對圖像進(jìn)行置亂的途徑實(shí)現(xiàn)加密的要求.

圖像置亂的實(shí)質(zhì)便是將要傳輸?shù)男畔⒋涡蜻M(jìn)行打亂，降低信息的辨識(shí)度，實(shí)現(xiàn)保障數(shù)據(jù)安全性的目的.數(shù)字圖像置亂和信息加密思想實(shí)質(zhì)是相同的，通過實(shí)現(xiàn)有目的對圖像進(jìn)行一定的處理，使其變換成了一幅從感官上無法分辨的圖像而對真實(shí)的圖像信息進(jìn)行了隱藏.另外圖像置亂還可以有效的抵抗第三方的惡意攻擊.由于事先對秘密圖像進(jìn)行反置換處理，非法入侵者在圖像上所涂畫的痕跡則會(huì)到分散到畫面的其他地方，就如同隨機(jī)噪點(diǎn)，在視覺上對原圖影響不大，但是為了使提取的信息更為清晰，最好對破壞嚴(yán)重的圖像進(jìn)行邊界進(jìn)行中值、濾波等方面的后期處理，盡最大程度地降低噪點(diǎn).

5 小結(jié)

目前信息隱藏技術(shù)發(fā)展不是很完善，我國數(shù)字網(wǎng)絡(luò)發(fā)展還落后于發(fā)達(dá)國家，信息隱藏技術(shù)特別是數(shù)字圖像隱藏技術(shù)的網(wǎng)上安全傳輸方案還處于初級探索階段，目前還存在許多具體的相關(guān)問題有待解決,但是立足現(xiàn)在面向未來看，這一技術(shù)的發(fā)展對網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化中的傳輸安全問題將具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義.

〔1〕黃元飛，古利勇，金麗萍．網(wǎng)絡(luò)信息安全形勢及相關(guān)熱點(diǎn)問題探討[J]．電信科學(xué)，2009，25(2):16～20．

〔2〕鄒建成.基于原根的數(shù)字圖像置亂技術(shù)[J].北方工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2001,13(3)．

〔3〕田培根，王瑛劍，李海林．網(wǎng)絡(luò)信息安全防護(hù)策略研究[J]．網(wǎng)絡(luò)電信，2009，11(3):63～64．

〔4〕蔡吉人，馮登國．技術(shù)創(chuàng)新推進(jìn)信息安全產(chǎn)業(yè)發(fā)展[J]．信息網(wǎng)絡(luò)安全，2008(1):6～7．

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